地鐵信號系統(tǒng)通信控制技術(shù)研究

李偉

西安市軌道交通集團有限公司運營分公司 陜西西安 710016

1 地鐵信號系統(tǒng)通信技術(shù)優(yōu)勢

首先，系統(tǒng)更加簡潔。從硬件組成上不難看出，此系統(tǒng)的核心主要為控制中心的設備，車載以及車站上的設備主要負責執(zhí)行控制中心的命令，從而實現(xiàn)了車與地面之間控制設備的整體劃一。從功能上來看，在此系統(tǒng)中，多種功能如閉塞、連鎖以及超速防護等都無須再分析，可以做到統(tǒng)一處理。因此，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)改變了原有的堆疊方式，更加簡潔。其次，系統(tǒng)更加靈活。新型的CBTC系統(tǒng)無須增加新的設備就能實現(xiàn)對雙向運行的支持，而且即使列車在反向運行時，系統(tǒng)依然具備較高的安全性及穩(wěn)定性。而且新的通信系統(tǒng)還能根據(jù)實際需要適當進行調(diào)度策略的更改。與此同時，系統(tǒng)還能實現(xiàn)對多條交叉線路以及不同復雜運行情況的同步處理。最后，則是系統(tǒng)更加高效，在此系統(tǒng)的控制下，列車的運行間隔可以進一步縮短，同時，列車的駕駛算法還能更加優(yōu)化，從而實現(xiàn)了列車的節(jié)能運行[1]。

2 地鐵信號系統(tǒng)通信控制技術(shù)應用要點

2.1LTE技術(shù)的應用

LTE技術(shù)可以為列車運行提供實時監(jiān)控。在緊急情況下，ATS系統(tǒng)會及時將異常情況傳送給行車指揮或設備維護工作人員，他們可以快速到達現(xiàn)場并及時處理，以確保列車運行的安全。但是，這些數(shù)據(jù)在傳輸過程中，對網(wǎng)絡安全提出了更高的要求，如果LTE技術(shù)無法為用戶提供更安全的服務保障，那么LTE新技術(shù)的應用將成為空談。LTE技術(shù)遵循網(wǎng)絡技術(shù)的安全策略。EPC密鑰與NAS信號保護密鑰分離，并且使用該密鑰計算EPC密鑰。EPC密鑰是認證密鑰協(xié)議過程中的NAS的EPC和終端。用戶進入LTE系統(tǒng)，EPC與RRC連接，并將B密鑰發(fā)送自序列號加密和安全系統(tǒng)輸入保護，通常使用智能序列號到B，相同的序列號，如果需要使用安全性，超幀限制序列號上傳次數(shù)。

LTE技術(shù)可以提供更高的上行鏈路和下行鏈路運行速率，為地鐵信號數(shù)據(jù)傳輸提供高質(zhì)量分配。車地通信系統(tǒng)采用LTE技術(shù)，可以縮短數(shù)據(jù)交互的時延，最大限度地提高車載信號ATP設備與地面ATP安全數(shù)據(jù)交互。LTE使用eNodeB系統(tǒng)來簡化網(wǎng)絡，為用戶提供更高的頻率效率，更低的復雜性和延遲。LTE技術(shù)的具體延遲要求包括：控制面板從睡眠狀態(tài)到激活狀態(tài)的遷移時間＜50ms，用戶平面單向傳輸延遲不能小于5ms，遷移時間狀態(tài)從駐留狀態(tài)到激活狀態(tài)＜100ms。LTE技術(shù)采用遠程覆蓋技術(shù)，無縫切換算法等高移動性措施，可有效保證高速地鐵列車的低延遲[2]。

2.2CBTC關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 高可靠性技術(shù)

CBTC系統(tǒng)在設計時使用冗余設計，并且雙網(wǎng)并行。也即基于通信系統(tǒng)的軌旁及車載網(wǎng)絡的配置都完全相同，但是這兩個網(wǎng)絡之間卻存在物理間隔，如其不同網(wǎng)絡的傳輸鏈路與供電等都互相獨立運行，從而就在系統(tǒng)中構(gòu)造出兩個完全相同卻互相獨立運行的通信網(wǎng)絡。在實際使用階段，雙網(wǎng)同時運行，對列車進行控制與監(jiān)控，從而使得即使當其中某一網(wǎng)絡出現(xiàn)故障時，另一個網(wǎng)絡也能保持通信的暢通，確保列車的安全行駛。

網(wǎng)絡內(nèi)部冗余拓撲：

（1）單網(wǎng)內(nèi)部通信系統(tǒng)的骨干網(wǎng)通常都經(jīng)由光纖將SDH設備進行連接，并構(gòu)成環(huán)狀的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。當遇到骨干網(wǎng)中光纖傳輸出現(xiàn)中斷的情況時，SDH網(wǎng)絡中的快速倒換功能就會即刻開啟，從而有效避免列車的控制信號傳輸發(fā)生故障。

（2）在車站處的交換機通常都配置兩條千兆鏈路，并與三層交換機之間產(chǎn)生互聯(lián)，這一設計就能在最大程度上避免使用單臺交換機時或產(chǎn)生的網(wǎng)絡中斷等故障情況的發(fā)生。

（3）軌旁AP還會與主備控制器之間建立連接，并且主備控制器之間還能在網(wǎng)絡中進行信息的同步，如此一來，即使主用控制器發(fā)生癱瘓，系統(tǒng)之間的傳輸也不會產(chǎn)生中斷，這樣即可避免只使用一臺無線控制器時或產(chǎn)生了單點故障。

（4）在CBTC系統(tǒng)中，AP之間的部署間距一般都不超出AP可覆蓋的區(qū)域半徑，這樣一來，即使某一AP發(fā)生故障，與之相連的前以AP以及后一AP依然可以有效覆蓋AP的負責區(qū)域，從而就能確保信號的永續(xù)傳輸。

（5）系統(tǒng)中所有的有線及無線通信設備都在同一網(wǎng)絡平臺下，并且通過這一平臺可以實現(xiàn)對全部設備故障情況的排查、定位、修復以及其他管理職能，使網(wǎng)絡維護工作在最大程度上降至最低，從而在最短的時間內(nèi)解決網(wǎng)絡故障問題[3]。

2.2.2 無線快速切換技術(shù)

為確保列車的高速穩(wěn)定運行，快速切換技術(shù)必不可少。舉例來講，一般情況下AP的越區(qū)切換時間通常都在500毫秒-2秒，若列車按照120千米/小時的時速前進，在AP進行越區(qū)切換時，就會使得列車65M左右的運行區(qū)間內(nèi)斷開系統(tǒng)的控制。如發(fā)生此類狀況，將會造成嚴重的安全事故。

假設隧道覆蓋區(qū)域長300米，其中AP1與AP2都覆蓋良好，中間的公共區(qū)域為AP1與AP2都可覆蓋在的公共區(qū)域。當列車行進至AP1時，列車與AP1保持數(shù)據(jù)連接，而當行駛至公共覆蓋區(qū)時，列車依然可與AP1進行交互，并且提前會與AP2建立連接。如此一來，當列車行至AP2時，即可直接與AP2做好連接，并立即進行數(shù)據(jù)傳輸，而無須等待AP1斷開后再建立新的連接。從而即可將切換時延有效縮短至50毫秒以內(nèi)，并保障列車在高速運行的過程中始終保持通信。

3 結(jié)語

當前，在城市化發(fā)展進程日益加快的當下，地鐵已成為城市發(fā)展進程中最必不可少的交通設施之一。而作為確保地鐵得以安全運行的最關(guān)鍵技術(shù)，地鐵信號控制系統(tǒng)的重要性不言而喻。較之傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，CBTC不僅更加靈活高效，其成本也更加低廉。雖然當前的設計可以解決一些安全威脅，但是仍存在諸多不足與漏洞，這些問題都有待未來予以改進及完善。